胡家山水库灌区压力管道工程的计算分析

肖对勇

（昭通市水利水电勘测设计研究院,云南 昭通 657000）

1 工程概况

胡家山水库位于昭通市镇雄县塘房乡大擢魁办事处水稗田村,大坝为混凝土面板堆石坝,坝高63.2 m,总库容1542.3万m3,可解决5.69万人、2.85万头牲畜饮水困难,灌溉农田 3.5万亩。灌区干渠从胡家山水库的压力输水隧洞出口取水,采用倒虹吸压力管道沿泼机河布置,经周家院子至马鞍山,经白鸟隧洞、西朗沟隧洞至庙山,再采用倒虹吸跨泼机河至朱家院子,再经泼机、摆岔沟到达渠末鱼塘边,总长21.096 km。本文主要分析论述渠首倒虹吸的管道工程,目前该管道工程即将完成施工,发挥输水功能作用。

2 工程地质及布置

2.1 工程地质

压力管线的走势,进口段下坡,中间段沿河道平缓下降,出口段爬坡,其基本地质情况如下：

（1）管0+000～管0+275 m段,为输水隧洞出口至河床段,陡坡地形,人工堆积厚度最深处3 m～5 m,下伏基岩为三叠系下统飞仙关组下段紫红色,灰绿色～中厚层状粉,细砂岩与泥质粉砂岩互层。岩层产状:走向N50°E,倾向NW,倾角7°。边坡整体基本稳定。

（2）管0+275～管5+050 m,河床段长4775 m。管道轴线沿河床布置,为U型河谷,河床内冲洪积厚度7 m～12 m。河谷两岸发育多条冲沟,并有崩塌滑坡等不良地质现象发育。

（3）管为5+050～管5+228 m,出口段地形较陡,局部出露基岩,基岩为二叠系上统宣威组龙潭段灰绿黄绿色页岩,粉砂岩夹细砂岩和煤层。边坡覆盖第四系残坡积砂质粘土,厚1 m～3.5 m。岩层产状：岩层产状: 走向N74°W,倾向SW,倾角17°, 边坡为侧向坡,边坡整体基本稳定。

2.2 工程布置

压力管道进口与压力输水隧洞出口相接,里程为管0+000～管5+216,轴线长5256.48 m,设计引用流量2.2 m3/s,沿泼机河布置,埋设于河底。主要由进口控制段、压力管道、出口消力池组成。管道底座采用C15 混凝土刚性连续管座,在管道转弯处及直管管段长80 m左右设置镇墩,镇墩及出口消力池采用C20 钢筋混凝土浇筑,盖板采用预制C25 钢筋混凝土板。

压力管道0+000～0+310 段及5+103.5～5+182 段为DN1200钢管,采用厚度为14 mm的Q345 C钢板焊制,0+310～5+103.5段采用DN1200 预应力钢筒混凝土管（PCCP）,公称压力等级为1.4 MPa～2.0 MPa,镇墩内的弯管采用DN1200 钢板制管；为了压力管道安全运行,在桩号0+013.5、1+183、2+868 及4+028 处分别设自动排补气阀；在管道里程0+131.3 处的3#镇墩上,冲砂闸阀：在输水运行时,处于关闭状态,下游生态环境用水由此阀控制,在冲砂时,先关闭工作闸阀,后开启冲砂闸阀；考虑维护及检修,在桩号0+126、1+010.8、2+180.8、3+770.8及5+099.5 等5 处设φ50检修孔；考虑管道放空,在桩号5+103.5 管道最低处设置DN600 放空球阀；管道出口设DN1200 自动减压阀,水流进人消力池,池尾接明渠。

3 结构计算

3.1 管径确定

按照规划的要求,管道的进出口已确定。根据地形地质条件,压力管道0+000～0+310 段及5+103.5～5+182 段为陡坡地形,需布置为钢管,已知管道正常输水流量为2.15 m3/s,管道流速采用经济流速,在Excel表格中进行试算,管径采用公式：

式中：D为管道直径,m；Q为管道输水流量,m3/s；ν为管道输水流速,m/s。

计算结果见表1。

表1 管径计算成果表

经过表1进行比较分析,由于后期管道有进人检修要求,考虑到灌区布置情况、经济合理以及便于运输施工布置等,选择管径为DN1200。

3.2 钢管管壁厚度确定

（1）管壁厚度计算

本工程管道最大工作水头152.75 m,压力钢管选用Q345 C钢板焊制,在Excel表格中进行计算。

管壁厚度采用公式：

式中：为管壁厚度,mm；γ为水容重,N/m3；为焊缝系数；r为钢管半径,m；H为计算水头,m；[σ]为钢管容许应力,N/mm2。

计算结果见表2。

表2 管壁厚度计算成果表

根据表2,管壁厚度初步计算结果为6.24 mm。

（2）应力分析

本工程的钢管应力分析采用第四强度理论进行强度校核,各计算点在各种荷载组合工况下,计算公式为：

式中：σx为轴向应力,N/mm2；σy为径向应力,N/mm2；σz为切向应力,N/mm2；τxy、τxz、τyz为各方向剪应力,N/mm2；为焊缝系数；[σ]为相应计算工况的容许应力。

本工程选择管5+103.5～5+138 段钢管的下端进行分析,因该段水头最大,设计水头为120.907 m,处于最不利位置。

经分析计算,σ=98.21×103＜ [σ]=144×103,钢管应力满足强度要求。

（3）抗外压稳定分析

除按强度和构造确定管壁厚度外,还需进行外压稳定校核。露天布置的明管,在计算时选用管身只是承受均匀径向力的作用下的抗外压稳定问题。

管身无钢性环,沿轴向可以自由伸缩,则管壁的临界外压分段计算,采用公式为：

式中：Pcr为管壁的临界外压,kPa；E为弹性模量,2.1×106kg/cm2；为泊松比,取0.25；D为钢管半径,m；为管壁厚度,mm；k为安全系数,取2。

经对计算,压力管道无钢性环的管壁能保持稳定的最小厚度为 9.23 cm,抗外压稳定复核结果大于管壁厚度初步计算结果为6.24 mm。

综上（1）、（2）、（3）所述,考虑管壁受泥砂磨损,钢管锈蚀,制造不精确以及结构要求等因素,最终选用Q345C钢压力管结构壁厚为0=14 mm。

3.3 钢筒管（PCCP）压力等级确定

由于管道0+310～5+103.5 段为河道,需埋设于河床下,采用DN1200 预应力钢筒混凝土管（PCCP）,按照水压情况分别进行选材,在设计水头加上1.25倍的安全系数,最后选用预应力钢筒混凝土管（PCCP）的公称压力为1.4 MPa～2.0 MPa。

4 水力计算

本工程的特点是管线长、弯道多、水损较大,水力计算主要考虑沿程水头损失和局部水头损失,管道设计输水流量为2.15 m3/s,取钢管糙率系数n=0.013,预应力钢筒混凝土管（PCCP）糙率系数n=0.013。

压管道过流能力计算公式：

沿程水头损失计算公式：

局部水头损失计算公式：

计算结果见表3。

表3 管道水力计算成果表

续表3

根据表3的计算成果,可知在水库最低调度运行水位运行工况下,管道能满足过流2.2 m3/s要求；在正常蓄水位运行工况下,管道出口有富余水头35.044 m。因此,需在管道进口设置DN1200 控制闸阀,以备管道检修时使用；在管道出口处设置DN1200 减压调流阀,以保证管道在高水头时能够安全出流。

5 河床冲刷深度计算

由于本工程压力管道主要沿着河道埋设于河床下,需考虑水流平行于岸坡产生的冲刷深度,根据河流情况,选择有代表性的3段进行计算。

水流平行于岸坡产生的冲刷深度计算：

式中：hB为局部冲刷深度,m,从水面算起；hP为冲刷处的水深,m,以近似设计水位最大深度代替；VCP为平均流速,m/s；V允为河床面上允许不冲流速,m/s；n为与防护岸坡在平面上的形状有关,一般取n=1/4。

根据表4计算成果,综合考虑经济、施工及运行安全等后,取冲刷深度0.75 m,可满足管道的运行安全。

表4 河床冲刷深度计算成果表

6 镇墩稳定计算

（1）物理力学参数

根据地质情况,确定物理力学参数,具体见表5。

表5 物理力学参数建议值表

（2）计算方法

根据工程布置及拟定镇墩轮廓尺寸,计算镇墩重量,具体见表6。

表6 拟定镇墩轮廓尺寸及重量表

根据压力管道设计规范,按照表7压力管道镇墩稳定分析荷载计算表中的公式进行荷载分析计算,根据现场地形地质情况和管道布置情况,进行分析计算。

表7 压力管道镇墩稳定分析荷载计算表

抗滑稳定按下列公式进行计算：

地基应力按下列公式进行计算：

计算过程中,计算水头考虑水击因素,按设计水头的1.25倍确定,按上述计算公式进行计算,由于本工程共有89个镇墩,数量较多,该处仅列举前10个镇墩的计算结构,具体见表8。

表8 镇墩抗滑稳定计算结果

从表8可知,在不同工况下,镇墩均满足安全运行要求。

7 水下埋管抗浮计算

由于本工程压力管道主要沿着河道埋设于河床下,需考虑管道的水下埋管抗浮安全情况,因空管工况下最不利,故对空管工况进行验算。

图1 管道埋设断面图

根据管道的埋设断面,计算如下：

（1）管道重量：管内径为DN1200的钢筒管,管壁厚为120 mm,则延米管道m自重=0.497（截面积）×1×2500（砼重）=1243.4 kg。

（2）回填土重量：按设计要求,回填土的压实系数为0.6,土样最小干密度取1.85,回填土压实密度为1.85×0.6=1.11 g/cm3=1110 kg/m3, 管顶覆土最小0.75 m,每米覆土重量=0.75×1.44×1×1110=1198.8 kg。

（3）镇墩传递力：镇墩最大间距80 m,镇墩重量G=PV=2500×7×4.1×3.6=258300 kg,传递到每米管道上的力G镇=258300×0.6/40=3874.5 kg（取折减系数取0.6）。

（4）最大浮力：每米管道完全浸没时F浮=ρ液gV排=1000×1×2.261×1=2261 kg

（5）验算：忽略管道两侧的土压力及摩擦力,

即M总=m自重+m回填土+G镇,=1243.4+1198.8+3874.5=6316.7＞2261×1.1

由上述计算可知,管道在空管工况下不会产生浮管现象。

8 排补气孔面积计算

本工程压力输水隧洞和压力管道为一个整体,输水工作闸门设置于隧洞前端,在闸门开启或关闭时会产生排气或补气,因此,需设置在闸门后面排补气孔。因管线较长不利于排补气,根据管道布置情况,为了保证压力管道安全运行,稳压管道内水流态,减小因输水产生震动和气蚀。在管道里程桩号0+013.5、1+183、2+868及4+028 处分别设DN200 自动排补气阀。

闸门后面排补气孔的最小面积计算如下：

式中：a为通气孔的断面面积m2；Qa为通气孔的充分通气量； [Va]为通气孔的允许凤速m/s,采用40 m/s；Vw为闸门孔口的水流流速m/s；A为闸门后管道面积m2。

按上述公式进行计算,计算结果见表9。

表9 通气孔口面积计算成果表

从表9可知,闸门后通气口最小通气面积51.4 cm2,管道上的最小通气面积48.4 cm2。根据工程实际情况,在输水隧洞的闸门竖井中,考虑到在检修时需要人行通道,因此将闸门后孔口设置为1.6m×1.5 m,即竖井进人孔与排补气孔结合布置使用,管道上设置DN200 自动排补气阀,均满足安全运行要求。

9 结语

胡家山水库灌区压力管道,目前已基本施工结束,在施工过程中需要参建各方共同努力,严格按照压力管道施工技术要求进行施工,做好各个环节的压水试验,保证施工质量,才能使得理论计算成果与实际情况相一致；在后期运行过程中,管理人员应制定操作流程,严格按照操作流程进行操作。本工程的顺利实施,可为类似工程提供借鉴作用。